溫拌SBS改性瀝青浸水前后的納觀黏附特性

李 波， 陳占權(quán)， 劉 祥，2， 呂鎮(zhèn)鋒,2， 李曉民(.蘭州交通大學(xué) 甘肅省道路橋梁與地下工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 甘肅 蘭州 730070；2.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院， 陜西 西安 70064)

SBS改性瀝青施工溫度較高，在瀝青混合料拌和、運(yùn)輸、攤鋪和碾壓過(guò)程中需要更多的能源，而且施工中產(chǎn)生的煙霧和有毒氣體對(duì)環(huán)境和施工人員的健康造成了諸多不利影響.實(shí)踐表明，采用溫拌技術(shù)可以有效地降低SBS改性瀝青的施工溫度，從而減少能源消耗和有害氣體排放.然而，溫拌瀝青施工溫度較低的技術(shù)特點(diǎn)使其水穩(wěn)定性受到了很大的挑戰(zhàn)[1].因此，客觀評(píng)價(jià)溫拌瀝青及其混合料的水穩(wěn)定性有利于該項(xiàng)技術(shù)的推廣和應(yīng)用.目前，研究人員多采用一些宏觀的物理力學(xué)方法來(lái)評(píng)價(jià)溫拌瀝青或溫拌瀝青混合料(WMA)的水穩(wěn)定性.總體來(lái)看，這些宏觀尺度的試驗(yàn)得出了很多不同的結(jié)論，究其原因是宏觀試驗(yàn)方法不能區(qū)分WMA體系內(nèi)的黏附破壞和黏聚破壞[2].研究人員采用以經(jīng)典潤(rùn)濕理論為基礎(chǔ)的表面能理論對(duì)(改性)瀝青及其與集料體系的黏附性做了較多研究，結(jié)果也充分證明了表面能理論可以定量地表征瀝青-集料體系的黏附性[3].但是，這些方法仍無(wú)法直觀解釋溫拌瀝青體系的水損害機(jī)制.

近年來(lái)，納米力學(xué)技術(shù)中的原子力顯微鏡(AFM)有望闡明并量化溫拌瀝青與集料體系的黏附性.Tarefder等[4]的研究結(jié)果證明AFM可以測(cè)量改性瀝青材料中的黏附力和黏聚力.Nazzal等[5]的研究結(jié)果表明溫拌劑可以顯著提升瀝青浸水前的黏附力，除Sasobit外的所有溫拌劑均不會(huì)影響瀝青浸水后的黏附力.Lyne等[6]的研究表明，在瀝青內(nèi)部“蜂狀”周圍區(qū)域和內(nèi)部測(cè)得的黏附力比順滑區(qū)域測(cè)得的黏附力小.Yu等[7]的研究表明，基于AFM得到的瀝青微觀結(jié)構(gòu)中不同區(qū)域的黏附性差異有助于建立瀝青化學(xué)組成與力學(xué)特性的關(guān)系.國(guó)外學(xué)者利用AFM技術(shù)在瀝青納觀黏附性表征方面的研究表明，AFM可以將瀝青-集料體系黏附性的內(nèi)在機(jī)理耦合到納米尺度的分析中.近年來(lái)，國(guó)內(nèi)部分學(xué)者也開(kāi)始利用AFM對(duì)瀝青及改性瀝青的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，并取得了一些值得關(guān)注的結(jié)論[8-9].遺憾的是，國(guó)內(nèi)仍未見(jiàn)到利用AFM來(lái)研究瀝青黏附特性的報(bào)道.從文獻(xiàn)檢索結(jié)果來(lái)看，國(guó)內(nèi)外在溫拌劑以及浸水條件對(duì)SBS改性瀝青納觀黏附特性的影響方面關(guān)注較少，亟待補(bǔ)充與完善.因此，本文嘗試引入基于原子力顯微鏡的力譜技術(shù)來(lái)研究溫拌SBS改性瀝青的納觀黏附特性，并對(duì)比了添加常用溫拌劑的SBS改性瀝青在浸水前后的納觀黏附力，考察了溫拌劑和浸水條件對(duì)SBS改性瀝青納觀黏附特性的影響，以期為客觀評(píng)價(jià)添加溫拌劑的SBS改性瀝青黏附性、揭示溫拌SBS改性瀝青的黏附機(jī)理、保證和改善溫拌SBS改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性提供試驗(yàn)和理論參考.

1 原材料

選用甘肅路橋養(yǎng)護(hù)科技有限公司提供的SBS改性瀝青，其主要技術(shù)性能見(jiàn)表1.

表1 SBS改性瀝青性能指標(biāo)Table 1 Properties of SBS modified asphalt

選取目前中國(guó)公路建設(shè)中應(yīng)用較多的有機(jī)降黏類(Sasobit)和表面活性類(Evotherm)溫拌劑對(duì)SBS改性瀝青進(jìn)行溫拌改性.Sasobit溫拌劑是德國(guó)Sasol Wax公司生產(chǎn)的一種有機(jī)降黏型溫拌劑，它是由煤炭氣化后經(jīng)“費(fèi)-托工藝”制備而成的一種硬質(zhì)蠟；Evotherm溫拌劑是Mead Westvac公司生產(chǎn)的一種表面活性類溫拌劑，本文使用該系列溫拌劑的第三代產(chǎn)品——Evothern 3G，這種溫拌劑中往往包含表面活性劑、抗剝落劑等成分.

2 研究方案

溫拌SBS改性瀝青制備：將原樣SBS改性瀝青(Control)置于163℃烘箱中加熱約1h后倒入制備容器中，然后按比例將不同摻量的Sasobit或Evotherm 3G溫拌劑緩慢加入SBS改性瀝青中，用機(jī)械攪拌機(jī)對(duì)SBS改性瀝青-溫拌劑混合物低速攪拌2min 后，即制得所需的Sasobit或Evotherm 3G溫拌SBS改性瀝青.其中，Sasobit溫拌劑的摻量分別為瀝青質(zhì)量的1.5%和3.0%(相應(yīng)試樣編號(hào)為1.5%Sa，3.0%Sa)，Evotherm 3G溫拌劑的摻量分別為瀝青質(zhì)量的0.5%和1.0%(相應(yīng)試樣編號(hào)為0.5%Ev，1.0%Ev).

AFM試樣成型及浸水處理：參照文獻(xiàn)[5-8]中瀝青AFM試樣制備方法，將瀝青置于163℃烘箱中加熱至牛頓流體狀態(tài)，然后取少量瀝青滴在1cm×1cm大小的載玻片上，使載玻片保持水平并在163℃環(huán)境中靜置15～20min，待瀝青自然平躺之后使其自然冷卻至室溫，即為AFM瀝青初樣，密封保存?zhèn)溆?對(duì)初樣進(jìn)行浸水處理時(shí)，首先將其放入25℃水中保持72h，隨后將其取出與未浸水初樣一并放入40℃的通風(fēng)干燥箱中48h.最后，將2組試樣依次取出，即可用于AFM力譜試驗(yàn).

AFM力譜試驗(yàn)：采用布魯克Icon型原子力顯微鏡，在輕敲模式下對(duì)瀝青試樣進(jìn)行力譜試驗(yàn).測(cè)試溫度為25℃，所用氮化硅探針和懸臂梁的彈性系數(shù)分別為0.3,40.0N/m.為便于橫向比較，浸水和不浸水AFM試樣應(yīng)處于同一環(huán)境中進(jìn)行相同條件的干燥處理.在進(jìn)行AFM測(cè)試時(shí)，應(yīng)在相同測(cè)試環(huán)境下，采用相同的探針對(duì)同一瀝青的浸水和不浸水試樣先后進(jìn)行測(cè)試.

表面自由能試驗(yàn)：采用接觸角法獲得瀝青的表面自由能.首先通過(guò)躺滴法測(cè)定瀝青與蒸餾水、甘油和甲酰胺等測(cè)試液體的接觸角，再根據(jù)接觸角和測(cè)試液體的表面自由能參數(shù)計(jì)算出瀝青的表面自由能，具體方法參見(jiàn)文獻(xiàn)[10].

3 結(jié)果與討論

3.1 不浸水條件下溫拌SBS改性瀝青的納觀黏附特性

圖1，2分別為不浸水條件下溫拌SBS改性瀝青的納觀黏附力FN,dry以及摻Sasobit的溫拌SBS改性瀝青顯微結(jié)構(gòu).由圖1可知，相比原樣SBS改性瀝青，摻入Sasobit的溫拌SBS改性瀝青納觀黏附力小幅降低，而不同Sasobit摻量的溫拌SBS改性瀝青納觀黏附力并無(wú)顯著差異.原因是摻入Sasobit溫拌劑后，瀝青表面形成的微小孔隙(見(jiàn)圖2)會(huì)減小探針與瀝青試樣接觸面積，從而使其納觀黏附力降低[5].然而，隨著Sasobit溫拌劑摻量的增大，Sasobit會(huì)在瀝青中形成均勻堅(jiān)固的晶體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致瀝青與探針間的黏附作用增強(qiáng)[11].因此，在微小孔隙和晶體結(jié)構(gòu)的共同作用下，Sasobit溫拌劑摻量不同的SBS改性瀝青納觀黏附力并無(wú)明顯差異.與此不同的是，摻入Evotherm 3G溫拌劑后的SBS改性瀝青納觀黏附力明顯增大，且試樣1.0%Ev的納觀黏附力比試樣0.5%Ev的納觀黏附力進(jìn)一步增大25.4%.究其原因，作為表面活性物質(zhì)且包含抗剝落劑成分的Evotherm 3G溫拌劑在加入SBS改性瀝青之后，其中的極性基團(tuán)指向了瀝青表面，導(dǎo)致瀝青表面極性增強(qiáng)，從而使得瀝青與探針之間表現(xiàn)出較高的黏附性[12].

圖1 不浸水條件下溫拌SBS改性瀝青納觀黏附力Fig.1 Nano-adhesive force of warm mix SBS modified asphalt under dry condition

圖2 摻Sasobit的溫拌SBS改性瀝青顯微結(jié)構(gòu)Fig.2 Microstructure of SBS modified asphalt containing Sasobit warm mix additive(100×)

3.2 基于表面能理論的溫拌SBS改性瀝青納觀黏附力的驗(yàn)證

為驗(yàn)證基于AFM測(cè)定的瀝青納觀黏附力在表征瀝青黏附特性時(shí)的有效性，測(cè)得各瀝青試樣與蒸餾水、甘油和甲酰胺等測(cè)試液體的接觸角后，計(jì)算其表面自由能并建立表面自由能與納觀黏附力的相關(guān)性，結(jié)果如圖3，4所示.

圖3 溫拌SBS改性瀝青的表面自由能Fig.3 Surface free energy of warm mix SBS modified asphalt

圖4 表面自由能與納觀黏附力的相關(guān)性Fig.4 Relationship between surface free energy and nano-adhesive force

由圖3可知，相比原樣SBS改性瀝青，摻入Sasobit溫拌劑的SBS改性瀝青表面自由能減小，而摻入Evotherm 3G溫拌劑的SBS改性瀝青表面自由能呈增大趨勢(shì).對(duì)比圖1可以發(fā)現(xiàn)，添加2種溫拌劑的SBS改性瀝青表面自由能與納觀黏附力表現(xiàn)出類似的變化規(guī)律.從圖4中溫拌SBS改性瀝青的表面自由能和納觀黏附力之間的相關(guān)性回歸結(jié)果可以看出，這2個(gè)指標(biāo)之間表現(xiàn)出一定的正相關(guān)關(guān)系，其擬合相關(guān)系數(shù)為0.7371，說(shuō)明瀝青宏觀尺度與納觀尺度之間存在內(nèi)在聯(lián)系，即基于AFM測(cè)定的瀝青納觀黏附力可用于表征瀝青的黏附特性.

3.3 浸水條件下溫拌SBS改性瀝青納觀黏附特性

圖5為浸水條件下溫拌SBS改性瀝青的納觀黏附力FN,wet.由圖5可見(jiàn)，浸水處理后摻Evotherm 3G溫拌劑的SBS改性瀝青納觀黏附力相對(duì)較大，摻Sasobit溫拌劑的SBS改性瀝青納觀黏附力次之，而原樣SBS改性瀝青的納觀黏附力最小.與原樣SBS改性瀝青相比，試樣1.5%Sa的納觀黏附力增大了20.7%，而試樣1.5%Sa與試樣3.0%Sa的納觀黏附力無(wú)明顯變化，這與不浸水條件下的情況類似.與原樣SBS改性瀝青相比，摻入0.5%與1.0%Evotherm 3G溫拌劑的SBS改性瀝青納觀黏附力增幅分別為33.1%與41.9%，說(shuō)明Evotherm 3G溫拌劑對(duì)浸水處理后的SBS改性瀝青納觀黏附力影響較大.上述結(jié)果表明，浸水條件下溫拌SBS改性瀝青相比原樣SBS改性瀝青的納觀黏附性更好，即溫拌劑有助于改善SBS改性瀝青的抗水損害能力.

圖5 浸水條件下溫拌SBS改性瀝青的納觀黏附力Fig.5 Nano-adhesive force of warm mix SBS modified asphalt under wet condition

3.4 浸水后溫拌SBS改性瀝青納觀黏附特性的變化

為進(jìn)一步分析浸水條件對(duì)溫拌SBS改性瀝青納觀黏附特性的影響，構(gòu)建納觀黏附力變化率(AR)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)描述改性瀝青在浸水前后納觀黏附特性的變化情況.AR計(jì)算公式為：

(1)

根據(jù)式(1)計(jì)算的AR值如圖6所示.由圖6可見(jiàn)，5種改性瀝青試樣的AR均為正值，說(shuō)明經(jīng)過(guò)浸水處理后，各SBS改性瀝青的納觀黏附力均比浸水前要小，這與Al-rawashdeh等[13]采用表面能理論和Malladi等[14]采用浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)得到的結(jié)果類似.比較各改性瀝青試樣的AR值可知，摻Sasobit溫拌劑的SBS改性瀝青納觀黏附力在浸水前后的變化幅度要明顯小于原樣SBS改性瀝青和摻Evotherm 3G溫拌劑的SBS改性瀝青.試驗(yàn)結(jié)果表明，從黏附特性的角度看，摻Sasobit溫拌劑的瀝青材料本身在浸水過(guò)程中具有相對(duì)較好的穩(wěn)定性，而這種良好的穩(wěn)定性有利于瀝青混合料體系抗水損害能力的提高.這是因?yàn)镾asobit溫拌劑在瀝青中會(huì)形成穩(wěn)定的網(wǎng)狀晶格結(jié)構(gòu)，且Sasobit作為一種有機(jī)合成蠟，本身具有較強(qiáng)的疏水性，這兩方面的原因共同導(dǎo)致該類溫拌瀝青在浸水前后的納觀黏附力變化率較小[6].

圖6 浸水前后溫拌SBS改性瀝青的納觀黏附力變化率Fig.6 Changing rate of nano-adhesive force of warm mix SBS modified asphalt before and after immersion in water

3.5 納觀黏附力試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)原樣SBS改性瀝青和摻入不同溫拌劑的溫拌SBS改性瀝青在浸水和不浸水條件下的納觀黏附力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分析比較溫拌劑類型、摻量及是否浸水等因素對(duì)SBS改性瀝青納觀黏附力差異的顯著性影響，結(jié)果如表2所示.

表2 納觀黏附力試驗(yàn)結(jié)果的顯著性差異分析Table 2 Significant difference of nano-adhesive force test results

Note：N represents no significant difference; S represents significant difference.

由表2可知，原樣SBS改性瀝青與摻Sasobit溫拌劑的SBS改性瀝青在不浸水條件下的納觀黏附力之間并無(wú)顯著差異，即Sasobit溫拌劑在不浸水條件下對(duì)SBS改性瀝青的納觀黏附特性并無(wú)顯著影響.然而，原樣SBS改性瀝青與摻Evotherm 3G溫拌劑的SBS改性瀝青在不浸水條件下的納觀黏附力表現(xiàn)出顯著的差異，表明Evothern 3G溫拌劑及其摻量對(duì)SBS改性瀝青的納觀黏附力具有顯著影響.與不浸水條件下不同的是，浸水條件下各改性瀝青試樣的納觀黏附力之間呈不顯著差異的情況明顯增多，說(shuō)明溫拌劑類型及其摻量對(duì)浸水處理后的SBS改性瀝青試樣納觀黏附力造成的差異呈變小的趨勢(shì).此外，不同SBS改性瀝青試樣在浸水前后納觀黏附力的差異性有所不同.其中，原樣SBS改性瀝青以及摻Evotherm 3G溫拌劑的SBS改性瀝青在浸水前后的納觀黏附力具有顯著差異，不同的是，摻Sasobit溫拌劑的SBS改性瀝青在浸水前后的納觀黏附力之間并無(wú)顯著差異.

4 結(jié)論

(1)采用原子力顯微鏡中的力譜技術(shù)可以直觀地得到溫拌SBS改性瀝青的納觀黏附力，其試驗(yàn)結(jié)果與表面自由能具有較好的相關(guān)性.

(2)不浸水條件下，Sasobit溫拌劑能小幅降低SBS改性瀝青的納觀黏附性，而Evotherm 3G溫拌劑能增強(qiáng)SBS改性瀝青的納觀黏附性.

(3)浸水處理后，SBS改性瀝青的納觀黏附力要比浸水前小，而溫拌劑的摻入改善了SBS改性瀝青在浸水后的黏附性能.

(4)摻Sasobit溫拌劑的SBS改性瀝青在浸水過(guò)程中具有相對(duì)較好的穩(wěn)定性，其浸水前后的納觀黏附力變化率較小.

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